Процес раста монокристалног силицијума се у потпуности одвија у термичком пољу. Добро топлотно поље погодује побољшању квалитета кристала и има већу ефикасност кристализације. Дизајн топлотног поља у великој мери одређује промене температурних градијената у динамичком термичком пољу и проток гаса у комори пећи. Разлика у материјалима који се користе у термичком пољу директно одређује век трајања топлотног поља. Неразумно термално поље не само да је тешко узгајати кристале који испуњавају захтеве квалитета, већ такође не могу да расту потпуно монокристалне под одређеним захтевима процеса. Због тога индустрија монокристалног силицијума директног повлачења сматра дизајн термичких поља најосновнију технологију и улаже огромну радну снагу и материјалне ресурсе у истраживање и развој термичких поља.
Термални систем се састоји од различитих материјала термичког поља. Само укратко представљамо материјале који се користе у термичком пољу. Што се тиче дистрибуције температуре у термичком пољу и њеног утицаја на повлачење кристала, овде је нећемо анализирати. Материјал топлотног поља односи се на структуру и термоизолациони део у комори вакуумске пећи за раст кристала, што је неопходно за стварање одговарајуће расподеле температуре око растопа полупроводника и кристала.
1. Материјал структуре топлотног поља
Основни помоћни материјал за методу директног повлачења за узгој монокристалног силицијума је графит високе чистоће. Графитни материјали играју веома важну улогу у савременој индустрији. Могу се користити као структурне компоненте топлотног поља као нпргрејачи, водеће цеви, лонци, изолационе цеви, посуде за лончиће итд. у припреми монокристалног силицијума методом Чохралског.
Графитни материјалиодабрани су зато што се лако припремају у великим количинама, могу се прерађивати и отпорни су на високе температуре. Угљеник у облику дијаманта или графита има вишу тачку топљења од било ког елемента или једињења. Графитни материјали су прилично јаки, посебно на високим температурама, а њихова електрична и топлотна проводљивост је такође прилично добра. Његова електрична проводљивост га чини погодним као агрејачматеријала. Има задовољавајући коефицијент топлотне проводљивости, што омогућава да се топлота коју ствара грејач равномерно распоређује на лончић и друге делове топлотног поља. Међутим, при високим температурама, посебно на великим удаљеностима, главни начин преноса топлоте је зрачење.
Графитни делови су у почетку направљени од финих угљеничних честица помешаних са везивом и формираних екструзијом или изостатичким пресовањем. Висококвалитетни графитни делови се обично изостатички пресују. Цео комад се прво карбонизује, а затим графитише на веома високим температурама, близу 3000°Ц. Делови прерађени од ових целих делова се обично пречишћавају у атмосфери која садржи хлор на високим температурама како би се уклонила контаминација метала како би се испунили захтеви индустрије полупроводника. Међутим, чак и након правилног пречишћавања, ниво контаминације металом је неколико редова величине већи од дозвољеног за силицијумске монокристалне материјале. Због тога се мора водити рачуна о дизајну термичког поља како би се спречило да контаминација ових компоненти уђе у растопљену или кристалну површину.
Графитни материјали су благо пропусни, што олакшава преосталом металу унутра да дође до површине. Поред тога, силицијум моноксид присутан у гасу за прочишћавање око површине графита може продрети у већину материјала и реаговати.
Рани монокристални силицијумски грејачи за пећи били су направљени од ватросталних метала као што су волфрам и молибден. Са повећањем зрелости технологије обраде графита, електрична својства везе између графитних компоненти су постала стабилна, а грејачи пећи од монокристалног силицијума су у потпуности заменили волфрам, молибден и друге материјале. Тренутно, најраспрострањенији графитни материјал је изостатски графит. Технологија припреме изостатичког графита у мојој земљи је релативно заостала, а већина графитних материјала који се користе у домаћој фотонапонској индустрији увози се из иностранства. Страни произвођачи изостатичног графита углавном укључују немачки СГЛ, јапански Токаи Царбон, јапански Тоио Тансо, итд. У пећима од монокристалног силицијума Чохралског понекад се користе Ц/Ц композитни материјали, који су почели да се користе за производњу вијака, навртки, лонаца, лонца. плоче и друге компоненте. Композити угљеник/угљеник (Ц/Ц) су композити на бази угљеника ојачани угљеничним влакнима са низом одличних својстава као што су висока специфична чврстоћа, висок специфични модул, низак коефицијент топлотног ширења, добра електрична проводљивост, висока жилавост лома, ниска специфична тежина, отпорност на топлотни удар, отпорност на корозију и отпорност на високе температуре. Тренутно се широко користе у ваздухопловству, тркама, биоматеријалима и другим пољима као нови конструкцијски материјали отпорни на високе температуре. Тренутно, главна уска грла са којима се сусрећу домаћи Ц/Ц композити су још увек питања трошкова и индустријализације.
Постоји много других материјала који се користе за прављење топлотних поља. Графит ојачан карбонским влакнима има боља механичка својства; али је скупљи и има друге захтеве за дизајн.Силицијум карбид (СиЦ)је бољи материјал од графита у многим аспектима, али је много скупљи и тежак за припрему делова велике запремине. Међутим, СиЦ се често користи као аЦВД премазда продужи животни век графитних делова изложених корозивном гасу силицијум моноксида, а такође може да смањи контаминацију од графита. Густи ЦВД премаз од силицијум карбида ефикасно спречава да загађивачи унутар микропорозног графитног материјала доспеју на површину.
Други је ЦВД угљеник, који такође може формирати густ слој изнад графитног дела. Други материјали отпорни на високе температуре, као што су молибден или керамички материјали који могу коегзистирати са околином, могу се користити тамо где не постоји ризик од контаминације растопа. Међутим, оксидна керамика је генерално ограничена у својој применљивости на графитне материјале на високим температурама, а постоји неколико других опција ако је потребна изолација. Један је хексагонални бор нитрид (понекад се назива бели графит због сличних својстава), али су механичка својства лоша. Молибден се генерално користи разумно за ситуације високе температуре због своје умерене цене, ниске стопе дифузије у кристалима силицијума и веома ниског коефицијента сегрегације од око 5×108, што дозвољава одређену количину контаминације молибденом пре уништавања кристалне структуре.
2. Термоизолациони материјали
Најчешће коришћени изолациони материјал је угљенични филц у различитим облицима. Карбонски филц је направљен од танких влакана, која делују као изолација јер блокирају топлотно зрачење више пута на краткој удаљености. Мекани угљенични филц је уткан у релативно танке листове материјала, који се затим секу у жељени облик и чврсто савијају у разумном радијусу. Осушени филц се састоје од сличних влакнастих материјала, а везиво које садржи угљеник се користи за повезивање диспергованих влакана у чвршћи и обликовани предмет. Употреба хемијског таложења угљеника из паре уместо везива може побољшати механичка својства материјала.
Типично, спољна површина термоизолационог филца је обложена непрекидним графитним премазом или фолијом да би се смањила ерозија и хабање, као и контаминација честицама. Постоје и друге врсте термоизолационих материјала на бази угљеника, као што је угљенична пена. Генерално, графитизовани материјали су очигледно пожељнији јер графитизација у великој мери смањује површину влакна. Испуштање гаса ових материјала велике површине је знатно смањено и потребно је мање времена за пумпање пећи до одговарајућег вакуума. Други је Ц/Ц композитни материјал, који има изванредне карактеристике као што су мала тежина, висока толеранција оштећења и висока чврстоћа. Коришћење у термичким пољима за замену графитних делова значајно смањује учесталост замене графитних делова, побољшава монокристални квалитет и стабилност производње.
Према класификацији сировина, угљенични филц се може поделити на угљенични филц на бази полиакрилонитрила, угљенични филц на бази вискозе и угљенични филц на бази смоле.
Угљенични филц на бази полиакрилонитрила има велики садржај пепела. Након третмана на високим температурама, једно влакно постаје крхко. Током рада, лако је створити прашину која загађује околину пећи. Истовремено, влакно може лако ући у поре и респираторни тракт људског тела, што је штетно по људско здравље. Карбонски филц на бази вискозе има добре перформансе топлотне изолације. Релативно је мекан након термичке обраде и није лако створити прашину. Међутим, попречни пресек сировог влакна на бази вискозе је неправилан, а на површини влакана има много жлебова. Лако је генерисати гасове као што је Ц02 у оксидационој атмосфери ЦЗ силицијумске пећи, изазивајући таложење кисеоника и угљеничних елемената у монокристалном силицијумском материјалу. Главни произвођачи су немачки СГЛ и друге компаније. Тренутно, најшире коришћени у индустрији полупроводничких монокристалних материјала је угљенични филц на бази смоле, који има лошије перформансе топлотне изолације од угљеничног филца на бази вискозе, али угљенични филц на бази смоле има већу чистоћу и нижу емисију прашине. Произвођачи укључују јапанску Куреха Цхемицал и Осака Гас.
Пошто облик карбонског филца није фиксиран, незгодно је руковати. Сада су многе компаније развиле нови термоизолациони материјал заснован на угљеничном филцу осушеном од филца. Осушени филц од угљеника, који се назива и тврди филц, је угљенични филц са одређеним обликом и самоодрживим својством након што је меки филц импрегниран смолом, ламиниран, осушен и карбонизован.
На квалитет раста монокристалног силицијума директно утиче топлотно окружење, а термоизолациони материјали од угљеничних влакана играју кључну улогу у овом окружењу. Топлотна изолација од меког филца од угљеничних влакана и даље има значајну предност у индустрији фотонапонских полупроводника због своје предности у погледу трошкова, одличног ефекта топлотне изолације, флексибилног дизајна и прилагодљивог облика. Поред тога, термоизолациони филц од тврдог угљеничних влакана имаће већи развојни простор на тржишту материјала за термичко поље због своје одређене чврстоће и веће оперативности. Посвећени смо истраживању и развоју у области термоизолационих материјала, и континуирано оптимизујемо перформансе производа како бисмо промовисали просперитет и развој индустрије фотонапонских полупроводника.
Време поста: Јун-12-2024